Методы глубокой очистки сточных вод от биогенных элементов

Традиционная биологическая очистка сточных вод позволяет изъять основную массу органических загрязняющих веществ, но не может обеспечить достаточную глубину удаления соединений азота и фосфора, которые являются биогенными элементами. К наиболее важным биогенным элементам относятся азот, фосфор и сера. Попадая в водоемы, биогенные элементы способствуют развитию условий, угнетающих отдельные виды гидробионтов, а в некоторых случаях вызывают их гибель. Поступление большого количества азота и фосфора в водные объекты приводит к их эвтрофированию.

Основными источниками поступления биогенных элементов в природные водоемы являются объекты сельского хозяйства, а также неочищенные или недостаточно очищенные бытовые и промышленные сточные воды.

В поступающих на очистные сооружения городских сточных водах азот представлен в основном в виде минеральной () и органической (аминокислоты, белок тканей организмов, органические соединения) составляющих, причем на долю аммиака или мочевины приходится примерно 80 − 90 % всех азотсодержащих соединений. Фосфор находится в бытовых сточных водах в основном в виде орто - и полифосфатов и фосфорсодержащих органических соединений.

Удаление общего фосфора в процессе биологической очистки не превышает 30 – 40 %, а соединения азота 50 %.

Для извлечения фосфора из сточных вод могут быть использованы физико-химические, химические и биологические методы, а так же их комбинация.

Наибольшее распространение получил реагентный метод, сущность которого заключается в образовании нерастворимых соединений фосфора и выведении их из системы в виде осадка. В качестве реагентов используют разнообразные соединения железа и алюминия. При этом раегенты могут быть введены: на стадии механической очистки, в сооружения биологической очистки, а также на стадии доочистки.

Эффективность реагентного удаления фосфора может достигать практически 100 %. Однако, реагентный метод нельзя признать экономически оправданным из-за большого расхода реагента, затрат на доставку и эксплуатацию реагентного хозяйства. Поэтому в последнее время специалистами в области очистки все большее внимание уделяется разработке технологии глубокого удаления фосфора модифицированными биологическими методами, за счёт чередования аэробных и анаэробных условий пребывания активного ила. Этот способ основан на том, что в анаэробных условиях клетки ила в результате гидролиза полифосфатов отдают накопленный фосфор в окружающую их воду, а в последующей аэробной стадии активно его потребляют, освобождая тем самым очищенную воду от фосфатов.

Для удаления азота из сточных вод могут быть использованы как физико − химические (отдувка аммиака, ионный обмен, адсорбция активным углем с предварительным хлорированием, электролиз, озонирование, химическое восстановление, деминерализация − обратный осмос, электродиализ, дистилляция), так и биологические (нитрификация и денитрификация) методы. В практике очистки городских сточных вод для удаления азота все шире используется метод биологической нитрификации − денитрификации.

Нитрификация − процесс окисления кислородом воздуха аммонийного азота до нитритов и нитратов, осуществляемый нитрифицирующими микроорганизмами. На первой стадии процесса нитрификации аммоний окисляется до нитритов, на второй стадии нитриты окисляются до нитратов:

Денитрификация − процесс восстановления нитритов и нитратов до свободного азота, который выделяется в атмосферу. Процесс может быть реализован при наличии в воде определенного количества органического субстрата, окисляемого сапрофитными микроорганизмами до углекислого газа и воды за счет кислорода азотсодержашихся соединений. В качестве органического субстрата в процессе денитрификации могут быть использованы любые биологически окисляемые органические окисления, а также осветленные сточные воды и органические производственные стоки, предпочтительно не содержащие азота.

Для процессов нитрификации и денитрификации могут быть использованы традиционные сооружения биологической очистки: аэротенки и биофильтры.

При использовании технологии глубокого удаления азота биологическим методом предполагается искусственное создание в аэротенки различных зон, которые по степени обеспеченности кислородом подразделяются на три основные: аэробная, аноксидная и анаэробная.

Обеззараживание сточных вод. Обеззараживание сточных вод производят с целью уничтожения оставшихся в них патогенных бактерий и устранения опасности заражения воды водного объекта.

К наиболее распространенным методам обеззараживания сточных вод в настоящее время относятся: хлорирование, озонирование, ультрафиолетовое облучение (УФО) и их сочетание. Кроме того, перспективны разрабатываемые обеззараживающие технологии сточных вод, такие как гамма − облучение, электрический импульсный разряд, виброакустический, термический и другие способы.

Устойчивость микроорганизмов при любом способе обеззараживания во многом определяется различиями в механизмах процессов воздействия дезинфектанта. Механизм окислительного бактерицидного действия хлора связан с повреждением клеточной оболочки, подавлением ферментной системы бактерий, разрушением нуклеиновых кислот. Инактивирующее действие озона обусловлено высоким окислительно − восстановительным потенциалом, восстановительным потенциалом, в результате чего происходит разрушение протоплазмы, стенок и цитоплазматических мембран бактерий, протеиновых оболочек вирусов. Бактерицидное действие УФО основано преимущественно на повреждении структур ДНК и РНК микробной клетки нарушении проницаемости клеточных мембран. При фотохимическом воздействии лучистой энергии изменяются и разрываются химические связи органической молекулы.

Обеззараживание сточных вод хлором и озоном относится к реагентным способам. Обеззараживание сточных вод хлором является наиболее простым технологическим решением. Однако в результате хлорирования возможно образование нескольких десятков высокотоксичных веществ, включая канцерогенные и мутагенные, с величинами ПДК на уровне сотых и тысяных мг/л. Появление таких веществ в сточных водах после хлорирования ужесточает условия сброса в водоем, влияет на здоровье населения при водопользовании. При отведении хлорированных сточных вод в водоем поступают значительные концентрации хлора. В результате может иметь место гибель водных биоценозов и практически полное прекращение процессов самоочищения, в том числе и от патогенной микрофлоры. Решить эту проблему можно путем адекватного дехлорирования обеззараженных хлором стоков перед их сбросом в водоемы. Необходимо учитывать также попадание в водоемы хлорустойчивых штаммов как индикаторных, так и патогенных микроорганизмов, что создает проблему при водоподготовке питьевой воды на водопроводных станциях.

Применение озона на крупных очистных станциях может быть целесообразным, так как образуется гораздо меньше новых вредных веществ, в основном альдегидов и кетонов, не обладающих высокой токсичностью. Озон как сильный окислитель обеспечивает не только обеззараживание, но и при озонировании некоторых видов стоков происходит улучшение органолептических свойств воды.

При использовании УФО бактерицидный эффект, как правило, не сопровождается образованием токсичных продуктов трансформации химических соединений сточных вод. Отсутствие пролонгированного биоцидного действия также является существенным преимуществом метода УФО, так как сток при сбросе в водоем не оказывает влияния на водные биоценозы. При обеззараживании стоков УФО необходимо учитывать возможность репарации под действием солнечного света микроорганизмов, поврежденных в процессе облучения.

Согласно действующим санитарным правилам по охране поверхностных вод от загрязнения, индикаторными микробиологическими показателями эффективности обеззараживания являются:

− общие колиформные бактерии как микробиологические показатели, характеризующие уровень фекального загрязнения сточных вод и степень вероятности присутствия возбудителей бактериальных кишечных инфекций;

− колифаги как индикаторы вирусного загрязнения хозяйственно − бытовых сточных вод.

В качестве индикаторных микроорганизмов в ряде стран рекомендуется использовать термотолерантные (фекальные) колиформные бактерии, Е.coli, фекальные стрептококки.

При отведении очищенных сточных вод в водные объекты допустимый остаточный уровень содержания общих колиформных бактерий составляет не более 100 КОЕ/100 мл, колифагов−не более 100 БОЕ/100 мл, фекальных стрептококков − не более 10 КОЕ/100 мл, термотолерантных колиформных бактерий не более 100 КОЕ/100 мл при остаточном содержании хлора не менее 1,5 мг/л, озона – не менее 0,5 мг/л.

Обеззараживание хлором. При обеззараживании хлором расчетную дозу активного хлора следует принимать, г/м³:

- после механической очистки — 10;

- после механохимической очистки при эффективности отстаивания свыше 70 % и неполной биологи­ческой очистки — 5;

- после полной биологической, физико-химической и глубокой очистки — 3.

Время контакта хлора или гипохлорита со сточной водой в резервуаре или в отводящих лотках и трубопроводах должно быть не менее 30 мин.

Контактные резервуары необходимо проектировать как первичные отстойники без скребков; число резервуаров — не менее двух. Допускается предусматривать барботаж воды сжатым воздухом при интенсивности 0,5 м³/(м²×ч).

Количество осадка, выпадающего в контактных резервуарах, следует принимать 0,03 л на 1 м³ сточной воды при влажности 98 %:

- после механической очистки — 1,5;

- после биологической очистки в аэротенках и на биофильтрах — 0,5.

Обеззараживание озоном. Озон обладает более высоким бактерицидным действием, чем хлор. Озон оказывает универсальное действие, проявляющееся в том, что одновременно с обеззараживанием воды происходит улучшение физико-химических и органолептических показателей воды. Озонаторные установки состоят из следующих основных элементов: озонаторов для синтеза озона, оборудования для подготовки и транспортирования воздуха, устройств электропитания, камер контакта озона с обрабатываемой водой, оборудования для утилизации остаточного озона в обрабатываемой газовой смеси.

Обеззараживание озоном целесообразно предусматривать после доочистки воды на микрофильтрах или на фильтрах. Дозу озона в этом случае следует принимать равной 6 − 10 мг/л при продолжительности контакта 8 − 10 мин. После полной биологической очистки требуемая доза озона равна 15 − 30 мг/л, а продолжительность контакта 0,3 − 0,5 ч.

Ультрафиолетовое облучение. Применяется для обеззараживания воды без применения химикатов. Бактерицидное действие УФ − лучей заключается в разрушении молекул ДНК бактерий, вирусов, водорослей и других микроорганизмов. Для обеззараживания применяются высокоинтенсивные ртутные лампы низкого и высокого давления. Эффективность обеззараживания 99 %. В системах очистки сточных вод используются в основном безнапорные установки, в которых облучению ультрафиолетовыми лучами подвергается поток воды, протекающий по лотку. В этом лотке установлены кассеты водопогружных УФ − ламп. Очистка защитных кварцевых чехлов на лампах производится не чаще двух раз в месяц, замена ламп − 1 раз в год. Сточные воды перед подачей на УФ − облучение должны быть очищены до нормативов.

Радиационное обеззараживание. Радиационный метод целесообразно применять при обеззараживании сточных вод инфекционных больниц. Обеззараживание проводят в гамма − установках типа РХУНД, которые работают по следующей схеме: сточная вода поступает в полость сетчатого цилиндра приемно − разделительного аппарата, где твердые включения (бинты, вата, бумага и т.п.) увлекаются вверх шнеком, отжимаются в диффузоре и направляются в бункер − сборник. Затем сточные воды разбавляются условно − чистой водой до определенной концентрации и подаются в аппарат гамма − установки, в котором под воздействием гамма − излучения изотопа Co⁶⁰ происходит процесс обеззараживания. Обработанная вода сбрасывается в городской канализационный коллектор.